太阳能光伏技术是未来新能源的主力，但是目前的市场占用率还无法跟煤炭资源相抗衡，其造价昂贵，人们选择它的概率很小。我们发展零碳建筑，也希望寻找一种性价比低廉的BIPV技术，但是现有的产品动辄几十年的投资回收期，限制了BIPV的批量应用。我们期待一种更经济的光伏产品，钙钛矿会不会是解决答案？我们拭目以待。
钙钛矿太阳能电池的原型
未来，太阳能将不仅仅来自屋顶上笨重的蓝色面板。未来的太阳能电池板将是透明、轻便、灵活和超高效的。我们将能够用它们覆盖屋面瓦片、天窗或窗户——而且这一切都将像贴墙纸一样便宜。
这些太阳能电池将由一种叫做钙钛矿的新材料制成。
至少，这是三位太阳能研究人员在这篇引人入胜的《科学美国人》文章中勾勒出的愿景：Varun Sivaram、Samuel Stranks 和 Henry Snaith。他们指出，科学家们正在实验室中用钙钛矿太阳能电池做令人难以置信的事情，非常迅速地实现了性能的巨大飞跃。从理论上讲，钙钛矿应该能够大大超过我们目前用于太阳能电池板的材料硅——并且有可能使太阳能便宜得多。
“时间会证明一切，”西瓦拉姆在别处写到钙钛矿，“但我们中的许多人相信这是自 60 年前太阳能电池最初发明以来该领域最大的突破。”
这句话激起了业内的兴趣，所以记者打电话给 Sivaram，他现在是外交关系委员会的道格拉斯狄龙研究员，经常谈论钙钛矿。然而，他强调的是，仍有巨大而艰巨的障碍需要克服。钙钛矿在实验室环境中表现非常出色，但当它们与湿气接触时仍然会降解，并且还不够耐用，无法部署到现实世界中。
问题在于：大多数学者对诸如提高耐用性之类的平凡问题并不十分感兴趣。与此同时，美国太阳能行业以及世界其他范围的企业仍然专注于老式硅太阳能电池板的繁荣——暂时忽略钙钛矿。钙钛矿可能是一项潜在的革命性技术，但他们在从实验室到私营部门的飞跃中遇到了真正的困难。
在与专家的谈话中，Sivaram 详细阐述了为什么现有的太阳能技术不够好，为什么人们需要取得重大进展，以及什么可以阻止钙钛矿的实际发展。最终的结果是一幅迷人的图画，描绘了技术创新是如何发生的——以及潜在的全面能源突破如何无法流行起来。
Brad Plumer：目前，硅太阳能电池板是太阳能发电的首选技术，并且正在迅速普及。那为什么还不够呢？为什么人们需要新的突破？
Varun Sivaram：我认为今天的太阳能非常接近人们所认为的 “光伏平价上网” ——它正在降低成本，每个人曾经认为可以让它与天然气、煤炭和核能竞争。
但事实证明这还不够。一旦太阳能真正开始取代化石燃料，该成本目标最终会下降。这就是麻省理工学院的大型“太阳能未来” 报告得出的结论。当太阳能开始大规模部署时，它开始与自己竞争，尤其是在晴天，并降低其边际价值。因此，无补贴太阳能具有竞争力的成本目标会下降，从每千瓦时 8 美分降至每千瓦时 6 到 4 美分……
因此，如果您真的想大规模部署太阳能，并考虑 存储技术的成本，这将有助于在最需要电力时调度电力 [并且，至关重要的是，在太阳不发光时存储电力]，那么太阳能电池板将不得不必须变得像铺地毯或粉刷墙壁一样便宜。
硅太阳能电池板正在蓬勃发展，但它们可能还不够。（Shutterstock）
BP：是否有理由认为现有的硅太阳能技术不会让我们达到这个成本目标？
VS：尽管迄今为止通过更丰富的制造经验显着降低了成本，但仍然存在一种情况，硅太阳能电池板看起来像它们一样——沉重、僵硬，通常有点丑——因为它们是如何制造的。硅经过一些非常密集的处理，温度超过 1,500°F，以制造出非常脆的晶片。然后你拿走那个晶片，把它打包成太阳能电池，你需要用玻璃保护它。因此，由于所有这些保护，您无法对该面板的外观或重量做多少美感。
但是为了获得这种壁纸般的廉价，你需要一种更轻的太阳能技术，你可以 通过卷对卷工艺生产，而不是一次生产一个太阳能电池板。您需要可以将太阳能放置在屋顶瓦片上或窗户上，或者几乎可以覆盖任何您能想到的表面。这将使太阳能真正便宜到足以大规模部署并取代化石燃料。
BP：在《科学美国人》的这篇文章中，您将太阳能钙钛矿作为一种可能大幅降低成本的技术进行了讨论。现在，我一直看到新闻稿中过度炒作的清洁技术研究从未成功。是什么让钙钛矿与众不同？
VS：从科学的角度来看，这比我们过去看到的太阳能领域的许多（如果不是全部）突破都要大。
对于科学界以外的人来说，这可能会让人感到困惑，这是有原因的。获取新闻稿需要清除的障碍是一篇自然或科学文章。但在过去三年中，Science和Nature系列期刊上已经有 50 多篇关于钙钛矿的文章。它席卷了我们的社区。
钙钛矿之所以如此重要，是因为它们一方面打破了性能和效率之间长期存在的权衡，另一方面打破了成本、灵活性、重量、透明度等所有其他因素。过去，我们总是有一个固定的预算：您无法在不影响效率的情况下获得任何这些很酷的附加组件。但钙钛矿是第一种无需权衡的技术。没有根本原因不能制造出超级便宜、灵活、轻便且高效的钙钛矿太阳能电池。
这让科学家们震惊。我们认为，在这一点上，挑战在于产品开发而不是基础科学——因为从理论上讲，这在几个方面几乎是最佳技术。
钙钛矿的带隙可以通过改变它们的成分来调整，以访问太阳光谱的不同部分。（丹尼斯施罗德/ NREL）
BP：如何优化？您可以获得比硅更高效率的太阳能电池吗？
VS：绝对是这样，你可以获得比硅更高的效率。硅太阳能电池板受效率上限（称为热力学极限）的控制，大约为 30%。
钙钛矿太阳能很酷，因为您可以将多个钙钛矿层堆叠在一起，每一层都略有不同，并利用太阳光谱的不同部分、不同颜色的光。您甚至可以在硅太阳能电池的正上方堆叠钙钛矿。通过这样做，您可以更有效地将阳光转化为电能。从理论上讲，对于硅/钙钛矿组合，我们应该能够实现 30% 以上的效率，或者即使对于多个钙钛矿层的堆叠，我们也应该能够实现 40% 以上的效率。而在过去的几十年里，实验室中硅太阳能电池实现的最大效率已达到约 25%。
在实验室中，我们已经看到钙钛矿的效率比任何其他技术快 20%。令人震惊。
硅和钙钛矿技术的认证太阳能电池记录效率（截断日期轴以更好地显示钙钛矿效率轨迹——硅太阳能电池于 1954 年发明；数据来自国家可再生能源实验室）
也就是说，我要小心，不要给人一种绝对相信钙钛矿会成功的感觉。仍然存在需要克服的严峻挑战。
BP：对。你提到将钙钛矿从实验室带到现实世界仍然存在很大障碍。你能谈谈那些吗？
VS：我们已经确定了两个主要挑战。也许最大的挑战是稳定性。[钙钛矿电池会迅速降解，特别是如果暴露在潮湿环境中。] 硅太阳能电池板可能是一项古老的技术，但它们以可靠而著称。他们有 25 年的保修期，许多保修期比这更长。但如果钙钛矿电池在实验室中制成并在几个小时内降解，那么没有投资者会认真对待它。
一些科学家，包括我在牛津的实验室的科学家， 正在研究如何提高这种稳定性。初步研究表明，如果您将钙钛矿密封起来以防潮，它就不会降解。但是需要对此进行大量测试。而且，不幸的是，这并不是学术界钙钛矿研究的重点。
第二个似乎更容易克服的障碍是毒性。钙钛矿的组成原子之一是铅。因此，任何钙钛矿太阳能电池都必须经过安全测试，以证明铅无法脱出。
我发现的一个大问题是，学术界主要关注技术的物理学，而不是像现实世界的使用和有效寿命这样的平凡事物。学术界的通货是真正有声望的期刊文章。但是你可以通过在完美模拟的太阳正午下证明电池的最高效率大约两秒钟来获得这些。您不必关注成本效益或生命周期使用——这些对商业化很重要的东西。
另一方面，对于如何使钙钛矿可用于现实世界的应用，并没有进行强有力的工业研究。当你让学术界专注于智力上有趣但实际上有限的问题时，这真的很危险。
由锡制成的钙钛矿太阳能电池。（牛津大学出版社/ Flickr）
BP：为什么没有对钙钛矿进行更多的行业研究？造成这种脱节的原因是什么？
VS：首先，大型太阳能公司非常关注晶硅。只有少数几个正在涉足非晶硅技术。
其次，您会期望具有不同风险状况的初创公司和处于早期阶段的公司填补这一空白。但不幸的是，在太阳能领域，初创公司和风险投资家在 2010 年代初被烧毁，当时大量太阳能公司因不受其控制的市场力量而倒闭——其中包括可以说是得力于中国政府 对硅太阳能电池板制造商的支持。因此，硅谷风投目前没有兴趣投资新的太阳能技术。
第三，不幸的是，公众对这些先进创新技术的支持正在被对成熟技术的支持所取代。与钙钛矿等新兴材料相比，能源部在现有硅技术及其配件上的支出更多，无论是在基础实验室研究还是用于示范支持的贷款担保方面。所有这些原因都使该领域偏向于钙钛矿等新技术。
BP：我们经常听到化石燃料公司阻碍了清洁能源的发展。但似乎存在第一代清洁技术如此成熟以至于阻碍下一代技术的风险，不是吗？
VS：是的，第一代清洁能源技术阻碍了第二代。它们充当障碍而不是桥梁。
我们过去曾在核能方面看到过这种情况。由于历史事故，我们陷入了一种轻水反应堆设计的困境，这种设计可以说比第四代设计的先进反应堆设计更昂贵、性能更差、安全性更差 。由于轻水反应堆的主导地位以及我们的监管结构偏好这些反应堆的方式，这些反应堆存在被锁定的危险。
太阳能就是目前的一个例子。随着专注于硅的公司扩大其制造业务并创造规模经济，没有规模的小型竞争对手进入市场变得更加困难——即使他们拥有一项技术，在未来的道路上，成本和性能可能远远优越得多。
未来的一个例子可能是电池。锂离子电池，仅仅凭借 在不久的将来扩大规模，最终可能会锁定其他具有更高能量密度的电池技术，这些技术可以提供更引人注目的内燃机替代品，或者与可再生能源协同工作以可靠地工作。为电网供电。
不必如此。第一代技术可能是一座桥梁，而不是障碍。例如，太阳能行业有很多金融创新，比如太阳能租赁，这可能有助于为未来的新技术市场做好准备。所以在桥梁和障碍之间跨越一条细线，我认为我们在这条线的错误一边。
BP：那我们如何改变它？我们如何确保我们不会锁定更先进的清洁能源技术？
VS：我认为私营部门和公共部门都需要做一些事情。
在私营部门，我认为目前将这些垄断权交给受监管实体的公用事业商业模式特别扼杀了创新和产品开发。我将其与 LED 进行比较。在照明方面，我们最初拥有一种称为紧凑型荧光灯的平庸技术，但后来被高级 LED 取代。那么为什么 LED 没有被 CFL 锁定呢？我通常得到的答案是，如果您有一个强大的消费市场，那么创新和创新的传播会更容易——LED 有几个“垫脚石”市场，从消费电子产品和显示器到大众市场照明。
太阳能还没有——太阳能的最终消费者，即公用事业，是垄断者（市场上的垄断买家）。然而，我相信公用事业改革——尤其是他们在纽约所做的 改革能源愿景，使公用事业对分布式能源的市场激励做出反应——可以刺激清洁技术的创新。[全面披露：Sivaram 正以顾问身份与州长办公室就纽约的改革进行合作。]
还有其他事情。我问半导体行业的专业人士，“我们如何效仿你们所做的？” （毕竟，硅太阳能电池板的效率改进比 摩尔定律在计算能力方面的改进落后了 10 亿多倍。）那些人会说，等一下，如果你再等一会儿，就会有会议带来行业和从制造基本太阳能电池到将其集成到产品中，实验室在每个开发阶段都在一起。等一下。
不过，我不相信我们有时间等待。所以我也认为需要一个更明显的公共角色。
BP：那么什么样的公共政策可以帮助弥合早期清洁技术和更先进的清洁技术之间的差距？
VS：你想做两件事：避免加强屏障和启用桥梁。
因此，不要加强障碍：一件事是要小心，不要认为某些政策是技术中立的，而实际上并非如此。可再生能源投资组合标准或碳税等政策听起来可能与技术无关，但它们往往更喜欢市场上已经存在的成熟技术。
然后是启用桥梁，这可以通过解决新技术的两个死亡谷来完成。第一个死亡谷是基础研究和原型设计。公众对研发的支持只是一个扣篮。另一个是示范支持，这是至关重要的。政府填补了私人投资者过于规避风险的空白——将技术从原型扩大到试点规模再到工厂规模。这涉及进行一些相当大的风险投资。
我们在能源部确实有一个贷款担保模式，可以做到这一点，但该计划受到了广泛批评。具有讽刺意味的是，它因两个不同的原因受到批评。共和党人批评它，因为向 Solyndra 提供的 5 亿美元贷款变质了。但我们这些希望创新技术取得成功的人批评了它，因为 80% 的贷款担保资金实际上流向了成熟的技术，或者从根本上没有破坏性的技术。
能源技术的“死亡之谷”恰逢商业化阶段。（桑迪亚国家实验室）但我认为，这种大规模示范技术的公共支持模式还有很大的创新空间。也许它看起来不像贷款。也许它会涉及政府进行的股权投资。或者它可能不会发放 5 亿美元的资金，但会发放较小的 50-1 亿美元以分散您的风险。尽管如此，无论如何，必须有一种方法来填补私人投资者不会承担这种风险的空白。这很关键。
BP：回到你之前说过的事情，我们似乎也想找到弥合工业界和学术界之间差距的方法——这样实验室里有趣的研究就会商业化。因为两者之间的联系不一定会自动出现。
VS：完全。必须有一套错综复杂的会议和组织，将学术界和工业界的每一步联系起来。或者使不同的公司能够在共同利益上相互合作，就像 1990 年代半导体行业使用 SEMATECH [美国政府与各种半导体制造商之间的合作伙伴关系] 一样。
因此，这些都是支持谨慎引导行业发展的实践公共方法的论据。但我确实想提醒大家，这些过程通常会发生意想不到的变化。我敢打赌，如果你问过许多成功行业的人，他们会警惕政府过度参与。所以需要取得一个平衡。同样，你必须小心，公共政策正在加强这座桥梁，而不是障碍。
以上内容节选自5年前的一个记者采访。几年过去了，钙钛矿太阳能光伏已经得到了长足的发展，国内已经有很多企业布局钙钛矿光伏领域。相信随着技术的不断发展，再出两三年，我们将看到很多钙钛矿光伏产品在社会上亮相，在我国碳达峰和碳中和路上贡献重要力量。
